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DOSSIER DE PRESSE 26 mars 2014

Les basses températures, de la fusion aux mystères de l’Univers

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LES BASSES

TEMPERATURES, DE LA

FUSION AUX MYSTERES DE

L’UNIVERS

26 mars 2014

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SOMMAIRE

SOMMAIRE ................................................................................................... 2

UNE DISCIPLINE AUX MULTIPLES APPLICATIONS ............................................................................................. 3

LA CRYOGENIE, ENTRE RECHERCHE FONDAMENTALE ET RECHERCHE APPLIQUEE ........................................ 4 LA CRYOGENIE, DISCIPLINE DU GRAND FROID......................................................................................... 4

L’utilisation des basses températures, comment ça marche ? ................ 4

Le « pôle cryogénique grenoblois » : une concentration d’acteurs et de compétences unique en France .................................................... 6

LES RECHERCHES DU CEA EN CRYOGENIE ............................................ 8 LE SERVICE DES BASSES TEMPERATURES, UN LABORATOIRE PIONNIER DU DOMAINE .......................................................................................................................................................... 8

MANIPULER ET UTILISER LES BASSES TEMPERATURES DANS LES DOMAINES DE L’ENERGIE ET DU SPATIAL ................................................................................................. 9

1. La cryogénie au service de l’étude des matériaux ..................... 9

2. La cryogénie au service des applications spatiales ................ 12

3. Cryogénie et fusion nucléaire : le projet de tokamak JT-60SA 20

ANNEXES .................................................................................................... 26

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UNE DISCIPLINE AUX MULTIPLES APPLICATIONS

La cryogénie s’intéresse à l’étude des très basses températures : comment les

produire, les maintenir et les utiliser dans des conditions spécifiques. Cette discipline

trouve aujourd’hui de nombreuses applications puisqu’elle a permis :

des avancées majeures en astrophysique dans la compréhension de notre

Univers,

le développement d’aimants supraconducteurs pour les grands instruments

de physique des particules (grands accélérateurs, Tokamak ITER, JT-60 SA),

IRM ou RMN), et dans le domaine de l’imagerie médicale (IRM ou RMN),

la mise au point des moteurs utilisés en propulsion spatiale, dans l’étude de la

turbulence (phénomènes météorologiques, traînée des avions, etc.),

l’étude de phénomènes physiques tels que la supraconductivité et la

superfluidité.

En France, la cryogénie occupe une place importante à Grenoble. Le « pôle

cryogénique grenoblois » regroupe plusieurs organismes publics de recherche et

industriels du secteur. Les cryogénistes grenoblois ont, depuis plusieurs années,

obtenu des résultats de tout premier plan au niveau national et international dans

cette discipline.

Le Service des Basses Températures (SBT), est localisé sur le centre de Grenoble,

au sein de l’Institut Nanosciences et Cryogénie (Inac), Institut de la Direction des

Sciences de la Matière (DSM) du CEA et de l’Université Joseph Fourier (UJF). C’est

un laboratoire pionnier dans le domaine de la cryogénie. Fort de son expertise dans la

production et l’utilisation de très basses températures (jusqu’à quelques millikelvins1),

le laboratoire a participé à des programmes de recherche prestigieux dans des

domaines variés allant de la fusion nucléaire, au domaine du spatial, en passant par

une implication dans le programme Laser Méga Joule (LMJ) et une contribution aux

grands instruments de la Physique Fondamentale (CERN). Aujourd’hui, les équipes

du SBT sont impliquées dans de grands programmes de recherche comme le projet

de conception des futurs moteurs des fusées Ariane 5 et Ariane 6, ou encore le

développement du tokamak JT-60 SA pour la fusion nucléaire.

Ce dossier donne un aperçu des récentes avancées réalisées par le Service des

Basses Températures en termes de recherche fondamentale et de recherche

appliquée en cryogénie. L’occasion de mettre également en avant les collaborations

existantes avec ses différents partenaires tels que le groupe Air Liquide et l’Institut

Néel du CNRS, autres acteurs majeurs du « pôle cryogénique grenoblois ».

1 Le kelvin est une unité de mesure de la température (température thermodynamique). Une température de

0°C (Celsius) correspond à une température de 273,15 K (kelvins) et une température de 0 K correspond au zéro absolu, soit environ -273,15°C.

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LA CRYOGENIE, ENTRE RECHERCHE

FONDAMENTALE ET RECHERCHE APPLIQUEE

LA CRYOGENIE, DISCIPLINE DU GRAND FROID

L’utilisation des basses températures, comment ça marche ?

Les développements en cryogénie ont été longtemps motivés par les besoins expérimentaux de la recherche fondamentale : diminuer la température pour réduire l’agitation des atomes et molécules et avoir accès à des phénomènes raffinés, en particulier permettre au caractère quantique de la matière de s’exprimer pleinement. Ces dernières décennies voient l’avènement d’applications « pratiques », parfois industrielles, avec comme moteur fort pour la cryogénie appliquée les applications spatiales, notamment dans le domaine « subkelvin »

2. La majorité des grandes

avancées technologiques réalisées pour les systèmes de refroidissement sont issues de ces développements.

Pour des températures extrêmement froides, plusieurs systèmes de refroidissement doivent être associés en cascade pour couvrir l’intégralité de la gamme de températures. Aujourd’hui des chaînes cryogéniques permettant d’atteindre des températures de l’ordre de 15 millikelvins (-273.13°C) sont disponibles. Pour des systèmes dits « subkelvin », seules trois technologies émergent :

le refroidissement par évaporation utilisant un isotope de l’hélium (l’hélium 3) ;

le refroidissement magnétique (désaimantation adiabatique3) ;

et la dilution (propriété de la séparation de phases des 2 isotopes de l’hélium).

2 Systèmes capables de refroidir un composant à des températures inférieures à 1 Kelvin (-272.15°C).

3 Désaimantation adiabatique : le refroidissement par désaimantation consiste à utiliser le champ

magnétique pour faire baisser la température d’un système. Plus précisément, cette technique consiste, grâce à l’application d’un champ intense, à aligner, dans le « même sens », les moments magnétiques (spin) portés par les atomes d’un échantillon puis dans une phase ultérieure à réduire le champ pour laisser les moments se désordonner à nouveau. La première phase conduit à un échauffement, cette chaleur est évacuée, alors que la seconde conduit à un refroidissement pour peu que le système soit isolé thermiquement.

Quelques repères historiques :

1789 : Martin van Marum réussit à liquéfier l’ammoniac (par simple

compression en voulant vérifier la loi de Boyle-Mariotte) ;

1823 : Michael Faraday liquéfie le chlore suivant le même procédé

utilisé 40 ans plus tôt ;

1852 : James Prescott Joule et William Thomson montrent que la

détente rapide d’un gaz peut conduire à un refroidissement sensible

de celui-ci ;

1877 : Louis Paul Cailletet liquéfie l’oxygène et l’azote ;

1892 : James Dewar créé le premier cryostat puis liquéfie

l’hydrogène ;

1908: H. K. Onnes liquéfie l’hélium dans le cadre de ses travaux sur

la supraconductivité.

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Le cryostat, cœur des systèmes de refroidissement

En cryogénie, la manipulation des très

basses températures implique

l’utilisation indispensable de cryostats.

Par définition, un cryostat est un

instrument qui permet la production et

le maintien de très basses

températures grâce à la présence d’un

système de refroidissement. Pour

fonctionner, ce système utilise des

réservoirs de liquides très froids qui, de

manière générale, sont l’azote et les

deux isotopes de l’hélium (3He et

4He).

Depuis quelques années, de nouveaux

systèmes, appelés cryoréfrigérateurs,

et conçus pour refroidir jusqu’aux

températures cryogéniques (en

dessous de 120 K), sont mis au point

pour remplacer les réservoirs. En effet,

l’utilisation de ces réservoirs présentent

plusieurs inconvénients importants :

une masse et un volume conséquents,

un besoin de disponibilité des fluides

cryogéniques, et par essence une autonomie limitée par la quantité de fluides

stockée. Les cryoréfrigérateurs ne requièrent quant à eux qu’une alimentation

électrique, et présentent dans leur déclinaison pour le spatial un fonctionnement fiable

durant plusieurs années. Aujourd’hui, les systèmes cryogéniques utilisés dans des

domaines comme la fusion nucléaire ou le spatial doivent répondre à des contraintes

bien précises.

En France, les principaux acteurs académiques et industriels capables de développer

des solutions cryogéniques intéressantes pour de tels domaines d’applications sont

basés à Grenoble. Au sein du centre CEA de Grenoble, le CEA et l’UJF possèdent un

laboratoire spécialisé dans le développement de cryoréfrigérateurs et de systèmes de

refroidissement à très basses températures : le Service des Basses Températures

(SBT).

Cryostat du Service des Basses Températures. ©CEA

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Le « pôle cryogénique grenoblois » : une concentration d’acteurs et de

compétences unique en France

Une expertise cryogénique exceptionnelle se concentre à Grenoble où l'on trouve à la

fois de grands utilisateurs de ces compétences (CEA, Grenoble CNRS - Institut Néel,

les grands instruments Européens ESRF et ILL, etc.), des fournisseurs d’Hélium

liquide (quatre liquéfacteurs fournissent le site en Hélium liquide ; deux au sein du

SBT, deux à l’Institut Néel), et des industriels (Air Liquide, PME locales). Aujourd’hui,

le « pôle cryogénique grenoblois » a acquis une réputation mondiale en cryogénie,

grâce notamment à son écosystème qui comprend :

des physiciens et des technologues experts du sujet (environ 600 personnes

mobilisées) ;

des instituts de recherche classés au meilleur niveau (A+) par l’Agence

d’évaluation de la recherche et de l’enseignement supérieur4 ;

de nombreuses collaborations internationales ;

des liens forts avec l’Industrie, concrétisés notamment par des transferts de

technologies ;

une capacité de production de matière réfrigérante importante : 600 000 litres

d’hélium 4 produits ;

une compétence unique au monde en cryogénie appliquée au domaine du

spatial.

Les cryogénistes grenoblois ont obtenu des résultats de premier plan, tant au niveau

national qu'international (refroidissement du LHC au CERN, par exemple).

En 2010, le partenariat entre les laboratoires de la recherche publique et été reconnu

et renforcé par l’attribution du site du Labex (« Laboratoire d’excellence ») LANEF,

Laboratoire d’Alliances Nanosciences et Energies du Futur, qui comprend une

Alliance sur les nouvelles frontières en cryogénie. LANEF a permis de rapprocher cinq

laboratoires :

L’INAC, Institut Nanosciences et Cryogénie du CEA et de l’UJF où est localisé

le Service des Basses Températures (SBT) ;

L’Institut Néel (CNRS) ;

Le LNCMI, Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses ;

Le LPMC, Laboratoire de Physique de la Matière Condensé (CNRS/Université

Nice Sophia Antipolis) ;

Le G2ELAB, Grenoble Génie Electrique.

4 file:///C:/Users/CVERNEAU/Downloads/D2014-EV-0753375L-S2PUR140005560-001633-RD.pdf

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Le Service des Basses Températures participe à certains des programmes de

recherche inscrits dans le cadre du Labex LANEF et collabore depuis de nombreuses

années avec différents acteurs institutionnels et industriels de la cryogénie

grenobloise dont Air Liquide et l’Institut Néel du CNRS. L’obtention de résultats

scientifiques et le développement de nouvelles technologies en cryogénie constituent

des étapes majeures de certains programmes de recherche internationaux. Les

satellites météorologiques ou les réacteurs de fusion nucléaire de demain ont et

auront besoin de l'expertise des acteurs grenoblois en cryogénie.

Les investissements d’avenir et Laboratoire d’excellence (Labex)

L'appel à projets Labex du programme « Investissements d'avenir » a pour

but d'attribuer aux laboratoires ayant une visibilité internationale des moyens

importants afin de leur donner la capacité de faire jeu égal avec leurs

homologues étrangers. Mais aussi d'attirer des chercheurs et des

enseignants-chercheurs de renommée internationale et de construire une

politique intégrée de recherche, de formation et de valorisation de haut

niveau.

Le montant total de la dotation pour les Labex est d’un milliard d'euros (100

millions d'euros de dotations consomptibles et 900 millions d'euros de

dotation produisant des intérêts). Les financements sont attribués pour 10

ans.

Plus d'infos : www.enseignementsup-recherche.gouv.fr

http://investissement-avenir.gouvernement.fr/

http://www.enseignementsup-recherche.gouv.fr/

http://investissement-avenir.gouvernement.fr/

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LES RECHERCHES DU CEA EN CRYOGENIE

LE SERVICE DES BASSES TEMPERATURES, UN LABORATOIRE

PIONNIER DU DOMAINE

Le Service des Basses Températures (SBT) fait partie de l’Inac, l’Institut

Nanosciences et Cryogénie de la Direction des Sciences de la Matière (DSM) du

CEA, et de l’Université Joseph Fourier (UJF). Il est basé sur le centre CEA de

Grenoble. Rassemblant 70 personnes, ce laboratoire mène des recherches à

caractère majoritairement technologique dans le domaine des basses températures. Il

participe également à des études de recherche fondamentale en cryogénie en

partenariat avec d’autres laboratoires de recherche comme l’Institut Néel du CNRS.

Les principales thématiques de recherche du service sont :

la cryogénie pour le spatial et développement de cryoréfrigérateurs ;

les développements cryogéniques pour la fusion inertielle ;

la grande réfrigération hélium et thermodynamique de l’hélium normal et

superfluide.

Ces thématiques s'inscrivent dans le cadre des missions du CEA et de la Direction

des Sciences et de la Matière (DSM), dans une stratégie partagée à Grenoble avec

l’Université Joseph Fourier (UJF). Ainsi le laboratoire a fourni, pendant une quinzaine

d’années une contribution importante au programme du Laser Méga Joule (LMJ), et a

participé à la construction des grands instruments de la physique fondamentale (Cern,

Herschel, ...) et aux programmes de la fusion magnétique (TS, JET, ITER, JT60 SA).

Zoom sur l’Institut Nanosciences et Cryogénie (Inac) du CEA :

Institut de recherche fédératif CEA-UJF, l’Inac est un acteur majeur de la

recherche fondamentale sur la matière condensée, la matière molle et la

cryogénie à Grenoble.

La majorité de ses activités en physique, chimie et à l'interface avec la biologie

se regroupe sous la bannière des nanosciences. Les programmes de l'institut

se déploient dans plusieurs domaines stratégiques : les énergies bas carbone,

les technologies de l'information et de la santé, la défense globale et la

sécurité, le développement et l'utilisation des très grands instruments, la

cryogénie pour le spatial et les grands instruments de la physique.

http://Inac.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/

http://inac.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/

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MANIPULER ET UTILISER LES BASSES TEMPERATURES DANS LES

DOMAINES DE L’ENERGIE ET DU SPATIAL

1. La cryogénie au service de l’étude des matériaux

Les chercheurs du Service des Basses Températures utilisent la cryogénie pour

optimiser la performance de la spectroscopie (résonance magnétique nucléaire ou

RMN), une technologie d’imagerie utilisée dans les nanosciences pour scruter la

matière à l’échelle atomique.

La RMN et les propriétés magnétiques de l’atome et de l’électron (spin)

Le spin (« tourner sur soi-même » en anglais) représente la signature magnétique des

électrons de l’atome5. C’est une propriété intrinsèque comme sa masse ou sa

charge : on pourrait la comparer à une micro-boussole. La manipulation des spins

nucléaires par résonance magnétique nucléaire (RMN) est la base de la

spectroscopie RMN et de l'imagerie médicale (IRM). Par ailleurs, la RMN est un outil

puissant pour la détermination de la structure 3D et l’organisation des milliers

d’atomes qui peuvent composer une molécule, mais aussi pour la compréhension des

mécanismes d’assemblage de ces atomes entre eux. Cette technique est également

utilisée pour le développement de nouveaux matériaux, les nanomatériaux par

exemple.

En RMN l’interprétation du signal est donc limitée, mais pour repousser les limites de

cette technique de spectroscopie, trois méthodes s’offrent aux scientifiques ; elles

permettent toutes d’augmenter la puissance du signal :

l’accroissement du champ magnétique au niveau de l’échantillon étudié

permet d’augmenter le signal ;

une voie alternative ou complémentaire : en diminuant la température jusqu’à

quelques degrés au-dessus du zéro absolu (-273°C), le signal pourrait être

multiplié par 30 ;

l’utilisation de la Polarisation Dynamique Nucléaire (DNP en anglais)

permet, quant à elle, d’obtenir un signal qui peut être augmenté de plusieurs

dizaines à plusieurs centaines de fois.

5 L’atome est le constituant fondamental de la matière. Il se compose :

- d’un noyau : protons (charge +) et neutrons (pas de charge) définissant pratiquement toute la masse de l'atome, - d’électrons (charge -), orbitant autour du noyau.

Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)

Lorsque l’on soumet un groupe d’atomes à un champ magnétique intense, ces

derniers s’arrangent selon deux niveaux d’excitation, l’un dit « bas » et stable,

tandis que l’autre plus « haut » est plus existé et donc moins stable. La

différence d’énergie entre ces deux niveaux peut être mesurée : le signal ainsi

obtenu appelé « polarisation » est très faible mais fournit de précieuses

indications sur la composition atomique et la structure moléculaire de

l’échantillon étudié.

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Les chercheurs de l’Inac travaillent déjà avec un système combinant ces trois

techniques qui, de plus, réduit très nettement le temps d’acquisition du signal. Dédiée

à l’étude de structures moléculaires, cette machine est composée d’un aimant

supraconducteur associé à un système cryogénique et à une source micro-ondes qui

opère le transfert de polarisation du spin de l’électron au spin de l’atome afin de

générer un signal de grande qualité. Cependant, le système de refroidissement

actuellement utilisé fonctionne à l’azote liquide, ce qui ne permet pas d’atteindre des

températures inférieures à 105 K. Ces équipements de RMN se situent au sein de la

plateforme de nanocaractérisation (PFNC) du CEA de Grenoble, laquelle rassemble

80 chercheurs, techniciens, doctorants et post doctorants des Instituts Inac, Leti et

Liten au sein de centres de compétences de premier plan international comme la

microscopie électronique, les analyses par faisceaux d’ions ou la RMN…

Le projet NUMOC (NUclear magnetic resonance spinning MOdule Cryostat)

Des techniques cryogéniques novatrices vont permettre, aux équipes du Service des

Basses Températures, d’exploiter au mieux l’équipement DNP existant pour effectuer

des études beaucoup plus fines de structures moléculaires et d’accéder à une zone

de températures non explorée par cette technique à ce jour, voire à un domaine de la

physique encore inconnu. Dans le cadre du projet NUMOC (NUclear magnetic

resonance spinning MOdule Cryostat), les ingénieurs du SBT ont mis au point un

système de refroidissement inédit fonctionnant soit à l’hélium liquide, soit en

autonomie complète et permettant des analyses RMN à très basses températures,

jusqu’à 10 K.

Le système cryogénique conçu par les équipes du laboratoire sera utilisé pour étudier

des échantillons solides sous forme de poudre. Ces échantillons sont, de plus, mis en

rotation sur eux-mêmes à très grande vitesse afin de limiter les effets parasites

(« bruit ») dus au interactions magnétiques entre atomes ou entre atomes et électrons

en réalisant (de façon imagée) un mélange qui moyenne toutes ces perturbations. Les

expériences réalisées seront donc plus précises et donneront accès à des signaux

plus forts et mieux discernables.

L’objectif de NUMOC est d’aider chimistes et physiciens à mieux comprendre et

interpréter la structure tridimensionnelle des molécules. Très prochainement, le

système de refroidissement développé par l’équipe du SBT devrait être associé à

l’installation DNP actuellement utilisée par les chercheurs de l’Inac. Les données ainsi

obtenues permettraient par exemple d’optimiser l’assemblage d’atomes pour la

conception de nouveaux nanomatériaux.

Polarisation Nucléaire Dynamique (DNP en anglais)

La polarisation du spin de l’électron fournit un signal très supérieur à celle

obtenue avec le spin du noyau atomique. Pour tirer profit de cette particularité,

on va réaliser un transfert de polarisation du spin de l’électron au spin de

l’atome. On se sert donc également des propriétés magnétiques de l’électron,

c’est-à-dire de son spin, pour étudier la structure des molécules.

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Manipulation NUMOC (NUclear magnetic resonance spinning MOdule Cryostat).

© P. AVAVIAN/CEA

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2. La cryogénie au service des applications spatiales

Propulsion et lévitation pour les fusées Ariane

Les équipes du Service des Basses Températures travaillent sur le comportement des

fluides dans l’espace. Ces analyses sont menées dans le cadre de la conception des

futurs moteurs des fusées Ariane 5 et Ariane 6.

Les lanceurs Ariane

C’est en 1973 que l’Europe décide de lancer le programme Ariane. Le 1er

vol d’essai a

lieu avec succès le 24 décembre 1979. Rapidement, les avancées techniques et

technologiques obtenues par la Communauté scientifique vont permettre d’améliorer

et d’agrandir la famille des fusées Ariane. En 1996, le dernier prototype de la série

Ariane 5, voit le jour.

Le moteur d’Ariane 5 :

Aujourd’hui, les lanceurs spatiaux doivent être de plus en plus légers afin d’embarquer

à leur bord des instruments extrêmement lourds tels que les satellites. L’utilisation de

moteurs cryogéniques est la solution technique retenue pour équiper ces fusées car

elle permet notamment un gain considérable de poids.

Depuis une vingtaine d’années, les fusées Ariane sont donc dotées de moteurs

cryogéniques. Il s’agit de moteurs qui fonctionnent avec de l’hydrogène et de

l’oxygène liquide. Ces combustibles, appelés ergols6 liquides, sont maintenus dans

des réservoirs à très basses températures, 20 K pour l’hydrogène et 90 K pour

l’oxygène. Dans le moteur, les deux liquides vont se mélanger et une combustion se

produit, engendrant la poussée qui propulse la fusée dans l’espace.

De manière générale, les lanceurs Ariane sont composés de trois étages :

l’étage à poudre (EAP) constitué de deux boosters contenant chacun 240

tonnes de propergol solide. Ces boosters fournissent environ 90% de la

poussée au décollage et sont largués après 2 minutes en vol, soit à une

altitude d’environ 65 km ;

l'étage principal cryotechnique (EPC) contenant le dihydrogène et le

dioxygène liquides qui alimentent le moteur Vulcain7. La séparation de cet

étage se fait 10 minutes après le décollage ;

l’étage supérieur cryotechnique (ESC) équipé d’un moteur cryogénique

(moteur HM7B) nécessaire à la mise en orbite des satellites.

6 En astronautique, un ergol est une substance homogène destinée à fournir de l'énergie. Ils sont constitués

d'éléments oxydant (comburant) et réducteur (carburant ou combustible). 7 Le moteur Vulcain est un moteur cryogénique permettant la propulsion de l’Étage Principal Cryotechnique

(EPC) de la fusée Ariane 5.

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Un nouveau moteur est en cours de développement pour remplacer, en 2017, le

moteur HM7B de la fusée Ariane 5 et équiper celui de la future Ariane 6. Il s’agit du

moteur VINCI, conçu par le groupe SAFRAN, en partenariat avec le CNES.

Particularité unique de ce moteur : il sera réallumable dans l’espace après une

période de vol balistique (0 g). Cette avancée technologique majeure donnera la

possibilité à la fusée de déposer deux ou trois satellites sur des orbites différentes.

Cependant, la conception d’un tel moteur doit prendre en compte une contrainte

importante : anticiper le comportement des fluides et combustibles en apesanteur (ou

conditions de microgravité).

De la station de lévitation au moteur réallumable en orbite

Des chercheurs du Services des Basses Températures étudient les comportements

des fluides dans l’espace, en conditions d’apesanteur. Ces recherches s’inscrivent

dans le programme de développement du moteur VINCI. Dans ce cadre, les équipes

du SBT travaillent sur deux volets importants en physique des fluides :

l’étude du comportement des fluides (ergols liquides) utilisés pour faire

fonctionner le futur moteur VINCI ;

l’étude du comportement des ergols de manière plus générale en apesanteur

et dans des conditions de gravités différentes (études dans le cadre du

programme franco-allemand COMPERE, COMPortement des Ergols dans

les REservoirs).

Quels sont les moyens qui permettent de faire des expériences en

microgravité ?

Actuellement, il existe quatre méthodes permettant d’analyser le

comportement de fluides en apesanteur :

la station spatiale Internationale (ISS) : l’expérimentation sur les

fluides est possible mais est associée à un coût ainsi qu’à des

délais très importants;

les fusées sondes : ces fusées sont envoyées à près de 700 km

d’altitude. Elles permettent durant leur chute de donner accès à

des conditions de microgravité similaires à celles que l’on a dans

l’espace et ceci pendant 20 minutes. Des expériences peuvent

être placées à leur bord ;

l’ Airbus A300 Zéro G : cet avion donne accès à des temps de

microgravité de 22 secondes. Des expériences peuvent être

placées à son bord ;

les tours à chute libre : il en existe une de 100 m de hauteur en

Allemagne qui donne accès à 4,5 secondes de microgravité.

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Les équipes du SBT ont mis au point une nouvelle méthode donnant la possibilité

d’analyser le comportement des fluides en microgravité : il s’agit de « stations de

lévitation magnétique ». Ces installations sont composées d’un cryostat dans lequel

une bobine supraconductrice est refroidie à la température de l’hélium liquide (4,2 K).

Ces stations permettent de recréer des conditions de gravité que l’on retrouve dans

l’espace ou sur d’autres planètes telles que Mars ou la Lune.

Il existe deux stations de lévitation magnétique au Service des Basses Températures,

une dédiée à l’étude du comportement de l’hydrogène, baptisée HYLDE (HYdrogen

Levitation DEvice), et une dédiée à l’étude du comportement de l’oxygène, baptisée

OLGA (Oxygen Low Gravity Apparatus). Opérationnelles depuis 2006, ces

installations ont notamment permis aux chercheurs d’obtenir les courbes d’ébullition

de l’hydrogène et de l’oxygène en fonction du niveau de gravité, ou encore d’étudier

les mouvements d’un liquide dans une cellule lors d’une variation rapide

d’accélération (redémarrage d’un moteur par exemple).

Montage cellule pour station de lévitation magnétique au SBT.

© P. AVAVIAN/CEA

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Courbes d’ébullition de l’oxygène obtenue sur la station OLGA (Oxygen Low Gravity Apparatus), manipulation opérée par les équipes du Service des Basses Températures.

Ces courbes ont été obtenues en immergeant brutalement un disque en cuivre dans l’oxygène liquide. En mesurant la cinétique de refroidissement du disque, on peut en déduire le flux de chaleur échangé dans le liquide. Les pics obtenus ci-dessus correspondent au passage de l’ébullition en film (film de vapeur présent entre le disque de cuivre et l’oxygène liquide) à l’ébullition nucléée (ébullition dite « classique »).

Ces données importantes seront ensuite intégrées dans de nouveaux modèles mathématiques nécessaires au dimensionnement du futur moteur VINCI.

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Systèmes de refroidissement pour le spatial

Depuis de nombreuses années le Service des Basses Températures met au point,

pour le spatial, des systèmes de refroidissement adaptés aux contraintes particulières

de cet environnement.

Ainsi, les équipes du SBT ont participé à plusieurs programmes internationaux

prestigieux tels que les missions Herschel et Planck. Lancé en 2009 et dont la mission

s’est achevée en 2013, le satellite Herschel était composé de trois instruments : HIFI

(Heterodyne Instrument for the Far-Infrared), PACS (Photodetector Array Camera and

spectrometer), et SPIRE (Spectral and Photometric Imaging Receiver). C’est le

Service des basses températures qui a équipé les instruments SPIRE et PACS de

cryoréfrigérateurs permettant de refroidir les détecteurs qu’il contenait à une

température de 300 millikelvins8.

Aujourd’hui, les équipes du SBT se sont engagées dans la conception de systèmes

de refroidissement pour de nouvelles missions spatiales. Les technologies

développées par le laboratoire sont soit destinées à des missions dans l’espace, soit

destinées à des équipements au sol pour le domaine spatial.

Par ailleurs, ils travaillent depuis le milieu des années 90 sur une autre technologie,

les tubes à gaz pulsés (température de l'ordre de 50 K, - 220°C). Un de ces

développements mené en partenariat avec THALES Cryogenics et Air Liquide, et

financé par l'Agence Spatiale Européenne, est aujourd'hui un produit industriel abouti.

Les performances obtenues ont permis à Air Liquide de positionner cette technologie

sur les futures missions METEOSAT 3G (elle constitue la solution de référence et Air

Liquide est en train de réaliser les modèles de vol). Les premiers lancements

devraient intervenir en 2017.

8 Une température de 300 millikelvinss correspond à 0.3°C au-dessus du zéro absolu.

Les contraintes du spatial

Toutes les technologies conçues pour le spatial et devant rester en orbite durant

une période donnée doivent faire face à certaines contraintes. C’est le cas pour

les systèmes cryogéniques qui doivent répondre à quelques spécificités :

résistance au lancement dans l’espace ;

fonctionnement en microgravité ;

minimisation de la masse ;

faible consommation énergétique ;

fiabilité ;

durée de vie (supérieure à 5 ans) ;

facilité d’intégration.

DOSSIER DE PRESSE


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Des missions spatiales avec des détecteurs refroidis à des températures proches

du zéro absolu (mission Athena, mission Spica)

L’observatoire spatial Spica

Le projet d’observatoire spatial Spica (SPace Infrared telescope for Cosmology and

Astrophysics) est piloté par le Japon, en collaboration avec l’Europe, et implique

notamment l’agence spatiale européenne (ESA) dans le cadre du programme

COSMIC VISION 2015-2025. Le but du télescope Spica, dont le lancement dans

l’espace était initialement prévu en 2022, est d'observer l’émission infra-rouge des

premières galaxies de l'Univers et des trous noirs qu’elles abritent en leur centre.

Safari, un des quatre instruments du satellite japonais, sera doté d’un système de

refroidissement conçu et réalisé par des chercheurs du Service des Basses

Températures.

Un télescope infrarouge, comme celui présent sur l’observatoire Spica, doit

impérativement être refroidi pour que sa « chaleur » propre ne brouille pas l’image

thermique qu’il enregistre lors de ses observations. Le télescope de Spica sera, quant

à lui, refroidi jusqu’à 5 – 6 K par des cryoréfrigérateurs mécaniques. Pour bénéficier

de la sensibilité très supérieure de Spica, les détecteurs de l’instrument Safari doivent

être refroidis à très basses températures, à une valeur de 50 millikelvins.

Les équipes du SBT ont conçu, construit et testé un prototype à deux étages. Il s’agit

d’un refroidisseur à adsorption utilisant de l’hélium, du même type que celui développé

pour Herschel, permettant d’atteindre une température de 300 millikelvins. Il est

associé à un réfrigérateur à désaimantation adiabatique9 miniaturisé qui descend à 50

millikelvins. La qualité du refroidisseur a été saluée par l’équipe responsable du projet

Safari qui a donné son accord pour la construction du modèle d’ingénierie. La mission

Spica est actuellement en phase de redéfinition, dans le cadre du programme

COSMIC VISION, dans le but d’être présentée à la sélection M410

pilotée par l’ESA

courant 2014.

Démonstrateur du refroidisseur à 50 millikelvins © CEA-SBT

9 Désaimantation adiabatique : Désaimantation adiabatique : le refroidissement par désaimantation consiste

à utiliser le champ magnétique pour faire baisser la température d’un système. Plus précisément, cette technique consiste, grâce à l’application d’un champ intense, à aligner, dans le « même sens », les moments magnétiques (spin) portés par les atomes d’un échantillon puis dans une phase ultérieure à réduire le champ pour laisser les moments se désordonner à nouveau. La première phase conduit à un échauffement, cette chaleur est évacuée, alors que la seconde conduit à un refroidissement pour peu que le système soit isolé thermiquement. 10

Missions de « taille moyenne » dans le cadre de la sélection des programmes spatiaux de l’ESA.

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Programme spatial COSMIC VISION : la mission Athéna

Fin 2013, l’Agence spatiale européenne (ESA) a sélectionné, dans le cadre de son

programme international COSMIC VISION 2015-2025, deux nouvelles thématiques

pour ces prochaines missions scientifiques : l’univers chaud et énergétique (rayons x),

et la détection des ondes gravitationnelles. Le projet Athéna (Advanced Telescope for

High ENergy Astrophysics) est aujourd’hui la seule mission spatiale dédiée à

l’observation des rayons x.

La mission Athéna est un projet d’observatoire spatial piloté par l’ESA. L’objectif est

de mieux comprendre le comportement des trous noirs dans l’espace, l’environnement

qui les entoure, et de manière plus générale, la formation d’objets supermassifs.

L’observatoire spatial sera équipé d’un instrument européen baptisé X-ifu. Le Service

des Basses Températures collabore, sous le pilotage de l’IRAP11

à Toulouse, à la

fourniture du système de refroidissement de cet instrument. Les détecteurs seront de

type TES (Transition Edge Sensor) ou détecteurs supraconducteurs fonctionnant à

50 millikelvins. Ce système utilisera un concept et une architecture thermique

similaires à ceux développés pour le projet SPICA/SAFARI, et bénéficiera donc de cet

héritage.

Des projets « au sol » (Caméra ArTéMiS, mission en Antarctique)

La caméra ArTéMiS

Après sept années de développement, la caméra ArTéMiS, nouvel instrument de

mesure dédié notamment à la cartographie de l’Univers, a été installée sur le

télescope APEX, au Chili, en juillet 2013. Courant 2014, cette caméra unique au

monde devrait fournir des observations déterminantes pour la compréhension de la

formation des étoiles à toutes les échelles spatiales et temporelles de l’Univers.

11

Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie : http://www.irap.omp.eu/

COSMIC VISION

Le programme COSMIC VISION (Vision cosmique) a été lancé en 2004. L'ESA

avait alors consulté la communauté scientifique pour décider quels seraient les

objectifs de l’Europe en matière d’exploration spatiale pour la période 2015-2025.

Quatre axes de recherche ont été choisis :

Quelles sont les conditions qui entourent l’émergence de la vie et la

formation des planètes ?

Comment le Système solaire fonctionne-t-il ?

Quelles sont les lois fondamentales qui régissent l’Univers ?

Comment l’Univers est-il né et de quoi est-il constitué ?

Plus d’infos sur :

http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/ESA_s_new_vision_to_study_t

he_invisible_Universe

http://www.irap.omp.eu/

http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/ESA_s_new_vision_to_study_the_invisible_Universe

http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/ESA_s_new_vision_to_study_the_invisible_Universe

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Aujourd’hui, la caméra ArTéMiS est totalement autonome tant sur le plan cryogénique

que sur le plan de son contrôle commande. Grâce aux améliorations réalisées par les

équipes du projet, ArTéMiS possède, avec 1152 pixels, une qualité d’image

supérieure aux caméras existantes. Tous les sous-systèmes de la caméra

(cryogénique, optique, mécanique, contrôle-commande, électronique, software) ont

été indépendamment testés et sont désormais opérationnels depuis le camp de base

situé à 2500 m d’altitude. Le cryostat ainsi que le système cryogénique complet ont

été conçus au sein du Service des Basses Températures. Le cryostat conçu pour la

caméra ArTéMiS contient la grande majorité des instruments nécessaires à son

fonctionnement :

le système de refroidissement ou système cryogénique ;

les éléments de connectique ;

de l’électronique embarquée, ainsi que des écrans de contrôles ;

les optiques indispensables à l’observation du ciel.

L’Antarctique, siège de nouveaux programmes de recherche pour le spatial

Grâce à son environnement, l’Antarctique constitue un lieu exceptionnel pour la mise

en place d’observatoires spatiaux au sol. Mais du fait de ses conditions climatiques

extrêmes et de son isolement par rapport aux autres régions du monde, l’Antarctique

possède son lot de contraintes spécifiques. Les technologies mises au point pour ces

nouveaux observatoires doivent être adaptées à des contraintes similaires à celles

rencontrées dans le spatial, comme la fiabilité et la durée de vie des instruments.

Les équipes du Service des Basses Températures ont été sollicitées par l’Institut

CALTECH (California Institue of Technology) de la NASA pour participer à la

conception de plusieurs systèmes de refroidissement destinés à équiper des

observatoires et télescopes au sol qui seront localisés pour la majorité en Antarctique.

Le SBT a ainsi pu se servir de son expérience dans le domaine du spatial pour fournir

des refroidisseurs adaptés aux contraintes de ce nouvel environnement. La

technologie est identique à celle utilisée sur HERSCHEL mais déclinée en version

multi-étagée permettant de couvrir une gamme de température étendue (0.22 K –

4 K). C’est le cas notamment pour le télescope BICEP2, qui a très récemment permis

aux physiciens du programme BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic

Polarization) d’enregistrer des ondes gravitationnelles primordiales produites durant la

première seconde après le Big Bang12

. Il s’agit d’une avancée majeure en physique et

en cosmologie puisque ces observations confirmeraient la théorie de la naissance de

l’Univers, il y a 13,8 milliards d’années.

12 Nature doi:10.1038/nature.2014.14885

http://www.nature.com/news/how-astronomers-saw-gravitational-waves-from-the-big-bang-1.14885

http://www.nature.com/news/how-astronomers-saw-gravitational-waves-from-the-big-bang-1.14885

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3. Cryogénie et fusion nucléaire : le projet de tokamak JT-

60SA

Un des grands enjeux de la Recherche pour les décennies à venir consiste à produire

suffisamment d’énergie pour répondre aux besoins des générations futures sans

impact néfaste pour l’environnement. Pour atteindre un tel objectif, les scientifiques

étudient les réactions de fusion nucléaire susceptibles de fournir une quantité

quasiment illimitée d’énergie à partir de très peu de de matière. Aujourd’hui, la

communauté scientifique internationale s’inscrit, avec le projet ITER, dans une

perspective de démonstration de la faisabilité industrielle de la fusion.

La fusion au cœur des étoiles

La fusion nucléaire est un phénomène qui se produit naturellement au cœur des

étoiles et donne lieu à une quantité très importante d’énergie. À des températures

extrêmes (des millions de degrés Celsius), la matière se présente sous forme de

plasma. Dans cet état où elle n’est ni solide, ni liquide, ni gazeuse, la matière est

comparable à une « soupe » où noyaux et électrons ne sont plus liés entre eux et

circulent librement. Il s’agit de l’état le plus commun de la matière dans l’Univers.

Afin de récupérer de l'énergie issue de la fusion, sur Terre, les chercheurs tentent de

reproduire la réaction la plus accessible : la fusion de deutérium et de tritium, deux

isotopes de l’hydrogène contenant respectivement un proton et un ou deux neutrons.

L’hydrogène, combustible employé pour la fusion, est de plus abondant et disponible

sur l’ensemble de la planète.

Cette réaction produit un noyau d’hélium, aussi appelé particule alpha (α), et un

neutron doté d’une grande énergie cinétique.

Les particules α, particules chargées, restent confinées dans le plasma et

transmettent leur énergie en collisionnant avec les autres particules. Ainsi, les

particules α contribuent à « l’autochauffage » du plasma ;

Le neutron, sans charge électrique, n’est pas confiné : il est arrêté dans la

paroi de l’installation. Son énergie cinétique est transformée en chaleur. Dans

un réacteur, elle sera récupérée et transformée pour fournir de l’électricité. Le

neutron pourra également être utilisé pour régénérer in situ le tritium.

Le plasma ainsi produit est confiné et maintenu dans des conditions spécifiques à

l’intérieur d’une machine dédiée à la recherche appliquée en fusion nucléaire,

appelée tokamak.

Rappel

Le noyau des atomes est composé de neutrons et de protons, qui tiennent ensemble

grâce à la force la plus intense de la nature : l’interaction forte, responsable de « l’énergie

de liaison nucléaire ». Cette énergie peut être libérée de deux façons :

soit en cassant des noyaux lourds → on parle alors de fission nucléaire ;

soit en fusionnant des noyaux légers → on parle alors de fusion nucléaire.

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Créer un plasma à l’aide du principe de tokamak

Un tokamak est composé d’une chambre magnétique en forme de tore ou d’anneau

dans laquelle on maintient et chauffe un plasma dans le but de produire de l’énergie

par fusion nucléaire.

Le plasma est confiné à l’aide d’une superposition de champs magnétiques :

le champ magnétique toroïdal dont l’intensité est de l’ordre de 100 000

fois le champ magnétique terrestre. Il est créé par des bobines

magnétiques toroïdales ;

le champ magnétique poloïdal créé en induisant dans le plasma un

courant de plusieurs millions d’ampère (A), par l’intermédiaire d’une

bobine magnétique centrale ;

un ensemble d'aimants horizontaux appelés bobines poloïdales assurent

l'équilibre du plasma, sa position, sa forme et le contrôle du courant.

Le champ magnétique résultant à l’intérieur de la chambre du tokamak est un champ

en forme d’hélice.

La fusion du deutérium et du tritium (D-T) produit un noyau d’hélium, un neutron et

libère de l’énergie. Dans un tokamak, le noyau d’hélium reste confiné dans le plasma

où il cède son énergie par collision. 80% environ de l’énergie produite par la réaction

sont emportées hors du plasma par les neutrons. Ils sont absorbés par les parois du

tokamak, et transformés en chaleur. Cette chaleur peut être récupérée pour produire

de l’électricité.

Un peu d’histoire

C’est à la fin des années 1960, grâce notamment aux travaux de scientifiques

russes, que le premier tokamak, pour « Toroidalnaya Kamera Magnitnymi

Katushkami » (« chambre magnétique toroïdale »), a été développé. Cette

machine était alors capable de créer et de confiner un plasma chaud (150

millions de degré Celsius) dans une cage magnétique, en forme d’anneau (ou

« tore »).

DOSSIER DE PRESSE


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Le tokamak JT-60SA

Le projet de tokamak JT-60SA fait partie des programmes de recherche en cours

dans le domaine de la fusion nucléaire. Il s’inscrit comme une des composantes de

l'Approche élargie13

, programme de recherche complémentaire d’Iter (International

Thermonuclear Experimental Reactor), signé en février 2007 dans le cadre d’une

coopération réunissant le Japon et l'Europe. F4E14

coordonne la contribution

européenne à l'Approche élargie et JAEA15

la contribution japonaise. Le but de

l’ensemble de ces études est de démontrer que la fusion nucléaire pourrait être une

solution pour produire de l’électricité dans le futur.

Dans le cadre du développement du nouveau tokamak JT-60SA, la contribution de

l’Europe et celle du Japon sont de 50%. Le projet a été lancé en 2006, date

d’implication de la France dans cet ambitieux programme de recherche. La conception

du tokamak JT-60SA a pour objectif d’aboutir à une démonstration de la réaction de

fusion nucléaire à grande échelle. Le projet JT-60SA apportera des données

technologiques capitales à la conception du réacteur de fusion nucléaire DEMO, le

premier réacteur de fusion qui génèrera de l’électricité et dont la mise en service serait

envisagée en 2050.

En France, trois instituts de la Direction des Sciences de la Matière (DSM) du CEA

participent au projet de conception du tokamak, avec quatre missions spécifiques :

contribution sur la fourniture du système cryogénique du tokamak par l’Institut

Nanosciences et Cryogénie (INAC/DSM et Université Joseph Fourier), en

collaboration avec l’Institut de Recherche sur la Fusion par confinement

Magnétique (IRFM/DSM) ;

fourniture et tests de la moitié des aimants toroïdaux du tokamak (9 bobines

au total) par l’IRFM/DSM et en collaboration avec l’institut de recherche sur

les lois Fondamentales de l’Univers (Irfu/DSM) ;

fourniture d’une partie des alimentations électriques pour deux types de

bobines du tokamak par IRFM/DSM ;

mise en place sur le centre CEA de Saclay d’une station d’essais des aimants

supraconducteurs toroïdaux (Irfu/DSM).

Le Service des Basses Températures met à disposition du projet international JT-60SA

son expertise en cryogénie afin de suivre et d’accompagner l’industriel en charge de la

construction du système de refroidissement des aimants supraconducteurs du tokamak,

Air Liquide Advanced Business & Technologies AL-AT.

13

Les autres composantes de ce programme de recherche et de développement commun sont principalement : le centre de calcul installé à Rokkasho (Japon) au sein de l'International Fusion Energy Research Center (IFERC) et l'accélérateur IFMIF/EVEDA dédié à la recherche sur la tenue aux neutrons des matériaux. 14

F4E, Fusion For Energy, agence "domestique" européenne pour la construction d'Iter et l'Approche Elargie. 15

JAEA, Japan Atomic Energy Agency, agence "domestique" japonaise pour la construction d'Iter et l'Approche Elargie.

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Les aimants supraconducteurs sont les composants principaux du tokamak assurant

le confinement magnétique du plasma. Ils doivent être refroidis à 4,4 kelvins (-269°C)

afin de rester à l’état supraconducteur et de permettre le transport de forts courants

dans les bobines non résistives. L’équipe du laboratoire a ainsi élaboré un dispositif

expérimental à échelle réduite de 1/20ème

permettant de reproduire l’écoulement de

l’hélium au sein d’une partie du futur système de refroidissement cryogénique du

tokamak JT-60SA. Grâce à cette boucle expérimentale baptisée HELIOS, les

chercheurs ont réussi à étudier les phénomènes de charges pulsées sur l’écoulement

d’hélium qui caractérisent le fonctionnement des futurs tokamaks et à consolider les

choix technologiques liés au développement et à l’opération du système de

refroidissement des aimants supraconducteurs.

Le cycle de refroidissement

Par définition, un cycle de refroidissement classique est un circuit

thermodynamique avec des « phases de compression » et des « phases de

détente ». Dans le cas du système de refroidissement du tokamak JT-60SA,

l’hélium est utilisé comme fluide caloporteur. L’hélium est alors soumis à une

phase de compression, est ensuite refroidi grâce à l’azote liquide puis est

détendu, ce qui permet d’atteindre des températures froides (environ -270°C).

Ce cycle thermodynamique en boucle fermée utilise le même principe de

fonctionnement qu’un cycle de réfrigération classique.

Dispositif expérimental HELIOS à échelle réduite de 1/20ème

. © P. AVAVIAN/CEA

DOSSIER DE PRESSE


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L’assemblage du tokamak a débuté en janvier 2013 avec la livraison par l’Espagne

(CIEMAT) de la partie mécanique basse supportant l’ensemble du tokamak. Le

système cryogénique sera installé à partir d’avril 2015 au Japon et opérationnel à la

fin de l’été 2016. Suivant le calendrier établi par les partenaires internationaux du

projet, la production du premier plasma de JT-60SA est prévue au premier trimestre

2019 sur le site du JAEA à Naka au Japon.

DOSSIER DE PRESSE


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Aujourd’hui la cryogénie ce n’est pas seulement produire et manipuler les basses

températures en laboratoire, c’est aussi :

la conception de systèmes de refroidissement pour la fusion nucléaire sur des

programmes majeurs comme Iter ;

la fabrication de systèmes de pointes dédiés aux télescopes spatiaux au sol

et dans l’espace pour la compréhension de l’Univers ;

l’utilisation de la Résonnance Magnétique Nucléaire (RMN) pour l’étude de la

structure des atomes (conception nouveaux nanomatériaux), la biologie et la

santé ;

l’étude de la turbulence qui utilise des moyens technologiques uniques

(station 400W) et qui permettra de résoudre des problématiques liées à

l’énergie (traînée d’avions) et au climat (nouveaux modèles météorologiques

à grande échelle) ;

les expérimentations sur le comportement des combustibles pour la

fabrication des nouveaux moteurs des fusées Ariane ;

le développement de systèmes de refroidissement dans le domaine des

lasers et des cibles avec une contribution de 15 ans sur le Laser Mégajoule

(LMJ) et désormais des actions sur les applications civiles pour la production

d’énergie et la santé.

Présente à la fois en termes de recherche fondamentale et de recherche appliquée, la

cryogénie constitue une discipline incontournable pour de nombreux domaines

d’applications. Grâce à son expertise dans la conception de cryoréfrigérateurs et de

systèmes de refroidissements, le Service des Basses Températures noue des

collaborations internationales dans le cadre de programmes de recherche d’une

grande ampleur. Aujourd’hui, les programmes du laboratoire s’équilibrent entre :

des projets propres de recherche et de développement : afin de maintenir une

position de « leader » en cryotechnologies, de pouvoir proposer des concepts

novateurs et innovations techniques comme solutions aux besoins futurs et

d’être préparé aux demandes de plus en plus pointues ;

les activités liées à de grands projets scientifiques, notamment soutenus par

le CEA ;

les actions de valorisation ou transfert de technologies à des industriels.

A moyen et long termes, les objectifs du Service des Basses Températures consistent

à consacrer une part substantielle des ressources à la R&D, à créer de nouveaux

partenariats, mais aussi à obtenir des financements pour la conception de systèmes

de refroidissement dans les domaines des lasers et des grands instruments de

recherche, et à mettre en place des laboratoires communs avec l’industrie.

C’est dans le cadre de sa ligne directrice de transfert d’innovations vers l’industrie, et

grâce notamment à des laboratoires comme le Service des Basses Températures,

que le CEA donne la possibilité aux industriels d’acquérir et d’utiliser des technologies

de pointe dans des domaines techniques et complexes. La cryogénie est un exemple

probant de ce transfert vers l’industrie, aujourd’hui visible par l’implication des équipes

dans des programmes à caractère international et par le nombre de partenariats

établis avec les autres acteurs du secteur.

Plus d’informations sur le site de l’Inac : http://Inac.cea.fr/

http://inac.cea.fr/

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ANNEXES

Fiche de présentation générale du CEA P. 27

Fiche de présentation de l’UJF P. 29

Fiche de présentation Air Liquide P. 30

Fiche de présentation de l’Institut Néel du CNRS P. 31

1/2

www.cea.fr

Le CEA, un acteur clé de la recherche technologique Acteur majeur de la recherche, du développement et de l'innovation, le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives intervient dans quatre grands domaines : les énergies "bas carbone", les technologies pour l’information et les technologies pour la santé, les Très Grandes Infrastructures de Recherche (TGIR), la défense et la sécurité globale. Pour chacun de ces quatre grands domaines, le CEA s’appuie sur une recherche fondamentale d’excellence et assure un rôle de soutien à l’industrie par un transfert actif de l’innovation. Le CEA est partie prenante des alliances nationales coordonnant la recherche française dans les domaines de l'énergie (ANCRE), des sciences de la vie et de la santé (AVIESAN), des sciences et technologies du numérique (ALLISTENE) et des sciences de l'environnement (AllEnvi). Reconnu comme un expert dans ses domaines de compétences, le CEA est pleinement inséré dans l’espace européen de la recherche et exerce une présence croissante au niveau international.

- Les énergies bas carbone : nucléaire et renouvela bles Disposer de formes d’énergie compétitives, sûres et non émettrices de gaz à effet de serre, constitue un enjeu international majeur dans lequel le CEA est très impliqué. En appui aux industriels, le CEA cherche à optimiser et à sécuriser toujours davantage le parc actuel des réacteurs nucléaires et à mettre au point des solutions techniques pour la gestion des déchets radioactifs. Il participe aux programmes de recherches internationaux sur les réacteurs et combustibles nucléaires du futur (4ème génération) pour une production d'énergie à la fois plus économique, plus sûre et générant moins de déchets. Le CEA pilote la recherche française sur la fusion thermonucléaire, dont la maîtrise permettrait de disposer d’une source quasi infinie d’énergie. C'est sur son site de Cadarache que se construit aujourd'hui le réacteur expérimental international ITER. Les recherches du CEA soutiennent l’essor des énergies renouvelables. En collaboration avec les principaux acteurs industriels du domaine, il mène une R&D active sur ces sources d'énergie : solaire (thermique, thermodynamique et photovoltaïque), hydrogène, biocarburants de deuxième et troisième génération... Il travaille aussi à leur intégration dans le mix énergétique : bâtiment à faible consommation d’énergie, technologies pour le stockage de l’électricité et les réseaux intelligents. En amont et en lien avec ses recherches sur les énergies, le CEA conduit différents programmes sur leur impact sanitaire et environnemental mais aussi dans les domaines de la climatologie, des matériaux, de la chimie et des interactions rayonnement-matière.

- Les technologies pour l’information et les techno logies pour la santé Intervenant en appui de la politique nationale d’innovation industrielle, le CEA dispose d’une recherche technologique de haut niveau dans le domaine des micro et nanotechnologies (Minatec, Nano-INNOV). Les applications industrielles de ces recherches concernent notamment les télécommunications et les objets communicants. Il exerce également ses compétences dans les domaines de la robotique, de la réalité virtuelle et des technologies logicielles : systèmes embarqués et interactifs, capteurs et traitement du signal. Grâce aux compétences qu'il a développées dans les biotechnologies et les technologies nucléaires pour la santé (marquage biomoléculaire, imagerie médicale), le CEA est également un acteur de la

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recherche médicale. Il s’appuie notamment sur des grandes plates-formes comme NeuroSpin pour l’imagerie cérébrale à très haut champ et MirCen pour l’imagerie clinique, IDMIT pour la recherche sur les maladies infectieuses, et sur les centres nationaux de séquençage (Génoscope/CNS) et de génotypage (CNG) rassemblés dans l’Institut de génomique d’Evry. Ces programmes appliqués s’appuient sur une recherche fondamentale en nanophysique et ingénierie moléculaire, sciences des matériaux et cryotechnologies. - Les Très Grandes Infrastructures de Recherche (TG IR) La conception et l’exploitation des Très Grandes Infrastructures de Recherche sont une compétence reconnue du CEA, en France comme à l’international. L’astrophysique et la physique des particules sont deux domaines où il est particulièrement présent, avec respectivement les grands instruments d’observation, au sol ou dans l’espace, le LHC (Large Hadrons Collider) ou le GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions Lourds, à Caen). La simulation numérique (supercalculateur Curie), l’étude de la matière (synchrotrons), la physique des lasers (Laser Mégajoule), la physique des plasmas, font également l’objet de grands projets collaboratifs autour de TGIR, auxquels le CEA apporte son expertise. Cela suppose des programmes de recherche tant pour la conception des infrastructures (cryotechnologies, instrumentation, développement de matériaux…) que pour l’analyse des données qui en sont issues. Pour ces projets souvent montés grâce à des coopérations internationales, le CEA a, aux côtés du CNRS, un rôle de représentation de la France. - Au service de la Défense et de la sécurité global e Le CEA a la responsabilité du maintien sur le long terme de la capacité de dissuasion nucléaire française. Ses missions couvrent toutes les étapes de la vie des têtes nucléaires qui équipent les avions et les sous-marins lanceurs d'engins. A la suite de l’arrêt des essais nucléaires, le CEA a mis en œuvre le programme Simulation, qui s’appuie sur d’importants moyens expérimentaux et de calcul (Airix, Laser Mégajoule, Supercalculateur Tera 100). En 2010, l’intégration au CEA du Centre d’études de Gramat (Lot) permet de renforcer l’expertise en matière de détonique et d’électromagnétisme. Le CEA est également responsable de la conception et de la maintenance des réacteurs de propulsion nucléaire (sous-marins, porte-avions). Depuis les événements du 11 septembre 2001, le CEA a renforcé ses moyens d’évaluation et de prévention face aux menaces nucléaires radiologiques, biologiques et chimiques (NRBC-E). Le CEA intervient dans les instances nationales et internationales, où il contribue à la surveillance du respect des traités internationaux tels que le Traité d’interdiction complète des essais nucléaires (TICE). Enfin, il assure un rôle d’alerte 24h/24 en cas de séisme sur le territoire national ou de tsunami dans la zone euro-méditerranéenne et Atlantique Nord-Est.

LE CEA EN QUELQUES CHIFFRES (fin 2012) : 15 953 salariés , répartis sur 10 centres en France. 4,3 milliards d’euros de budget : - 2,6 Mds€ pour les programmes civils. - 1,7 Md€ pour les programmes défense.

- 701 brevets prioritaires déposés en 2012 ; - Plus de 150 entreprises créées dans le secteur des technologies innovantes depuis 1972 ; - 53 Unités mixtes de recherche (UMR) liant le CEA à ses partenaires de recherche ; - Participation à 27 pôles de compétitivité .

Direction de la communication / Service Information-Media

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l'Homme et de la société dans quatre

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http://www.ujf-grenoble.fr/

http://www.ujf-grenoble.fr/

Leader mondial des gaz, technologies et services po ur l’industrie et la santé, Air Liquide est présent dans 80 pays avec plus de 50 000 collaborateurs et sert plus de 2 millions de clients et de patients. Oxygène, azote et hydrogène sont au cœur du métier du Groupe depuis sa création en 1902. L’ambition d’Air Liquide est d’être le leader dans son industrie, en étant performant sur le long terme et en agissant de façon responsable. Le chiffre d’affaires d'Air Liquide s’est élevé à 15,2 milliards d’euros en 2013. Ses solutions pour protéger la vie et l’environnement représentent environ 40 % de ses ventes. Au sein du réseau Air Liquide advanced Business & Technologies – aB&T, le site Air Liquide de Sassenage (Isère), entité de développement technologique dédiée à l’exploration de nouveaux marchés par l’innovation, est le leader mondial des hautes technologies dans le domaine des gaz. Avec plus de 50 ans d’expérience technique, industrielle et commerciale, Air Liquide advanced Technologies est la référence en matière d’expertise de séparation des gaz, de réfrigération très basse température, de liquéfaction, d’analyse et contrôle de la qualité, de traitement, de stockage et de distribution de fluides cryogéniques à très basses températures. Basée en Isère, cette entité composée de plus de 600 collaborateurs, est également implantée en divers points d’Europe et du monde (région parisienne, Allemagne, Chine et Japon). Dans le domaine de la cryogénie, Air Liquide advanc ed Technologies est le partenaire des laboratoires, des centres de recherche, des gra nds équipements scientifiques ou encore des services R&D du secteur industriel. L’entité compte ainsi parmi ses clients et partenaires de grandes références mondiales en cryogénie tels le LHC du CERN ou encore ITER (projet en cours de développement). Mais également dans le domaine industriel à l’image du nouveau centre de liquéfaction d’hélium au Qatar (plus importante unité au monde)

Pour en savoir plus : http://www.airliquideadvancedtechnologies.com/fr

Contact presse : Mme Dominique Lecocq – [email protected]

L’Institut Néel est un laboratoire de recherche fondamentale en physique de la matière condensée, riche d’une importante composante interdisciplinaire aux interfaces avecla chimie, l’ingénierie et la biologie. Cette unité propre de recherche du CNRS s’appuie sur un socle exceptionnel d’expertises technologiques. L’institut Néel est organiséen 3 départements en forte interaction. La recherche effectuée à l’Institut s’insèredans plusieurs grands enjeux sociétaux : les technologies de l’information, l’énergie,la santé et le patrimoine.

L’Institut Néel s’impliquedans la valorisationde ses résultats, notammentpar l’intermédiairede partenariats avecles entreprises.

Le laboratoire est actifdans la transmissiondes connaissances à tousles niveaux. La synergie avecle monde universitaire est assurée par la présence dans ses équipes d’une cinquantaine d’enseignants-chercheurs, pour la plupart de l’Université Joseph Fournier.

Immergé dans un site scientifi que international unique, l’Institut Néel bénéfi cied’un réseau de liens solides formés entre le CNRS, l’Université Joseph Fournier, Grenoble INP, le CEAet les grands instruments européens.

CnrS Upr 2940

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INSTITUT NEEL / CNRS25, rue des Martyrs - BP166

F-38042, Grenoble Cedex 9 - FRANCEneel.cnrs.fr

Mars 2012

GPS : 45°12’13.37”N, 5°42’00.51 E

Biophysique 5%

Cryogénie 11%Energie 45%

Information / Communication 10%Instrumentation 29%

38 brevets actifs

24 licences actives

Biophysique 0%

Cryogénie 8%Energie 29%

Information / Communication 29%Instrumentation 34%

CnrS Upr 2940>

INSTITUT NEEL / CNRS25, rue des Martyrs - BP166

F-38042, Grenoble Cedex 9 - FRANCEneel.cnrs.fr

Mars 2012

GPS : 45°12’13.37”N, 5°42’00.51 E

EQUIPES DE RECHERCHE- Supraconducteurs :

Matériaux Innovation et Transfert- Ultra-basses températures- Hélium : du fondamental

aux applications- Cristaux électroniques- Systèmes à fortes corrélations

électroniques- Thermodynamique des petits

systèmes- Matière condensée et physique

statistique

PÔLES TECHNOLOGIQUES- Capteurs/Thermométrie- Cryogénie- Electronique

EQUIPES DE RECHERCHE- Théorie et Simulation numérique

des propriétés électroniques- Structure et Propriétés

des Matériaux /Conditions extrêmes- Surfaces, Interfaces

et Nanostructures- Matériaux, Optique Non Linéaire

et Plasmonique- Intermétalliques & Interstitiels /

Conversion de l’Energie

PÔLES TECHNOLOGIQUES- Caractérisation / Automatisation- Cristaux Massifs- CRG Synchrotron- Instrumentation

EQUIPES DE RECHERCHE- Nanophysique et semiconducteurs- Semi-conducteurs à large

bande interdite- Champ proche- Cohérence quantique- Systèmes hybrides

de basse dimensionnalité- Nanospintronique et transport

moléculaire- Micro-et NanoMagnétisme- Théorie et Nanosciences

PÔLES TECHNOLOGIQUES- Epitaxie- Ingénierie Expérimentale- Nanofab- Optique

- Administration- Gestion fi nancière- Bibliothèque- Réseaux et informatique- Liquéfacteur- Magasin- SERAS- Locaux et sécurité

alain SCHUHLDirecteur

pierre-Etienne WOLFalain IBanEZHervé COUrTOISphilippe GanDIT

EFFECTIF DU LaBOraTOIrE : 450 pErSOnnES 125 CHErCHEUrS ET 50 EnSEIGnanTS-CHErCHEUrS130 InGÉnIEUrS, TECHnICIEnS, aDMInISTraTIFS145 nOn pErManEnTS

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nanOSCIEnCESDEparTEMEnT> COMMUnS

SErVICES>MCBTDEparTEMEnT> MCMF

DEparTEMEnT>

>>>>

Département Matière Condensée et Basses Températures (MCBT)Département Matière Condensée Matériaux et Fonctions (MCMF)Département nanosciencesServices communs

Directeurs adjoints

DOSSIER DE PRESSE...Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Direction de...

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